掺铒光纤放大器在光孤子放大方面的应用(共6页)

1、 掺铒光纤放大(fngd)器在光孤子放大方面的应用 黄河(hun h) B21214024【摘要】本文介绍(jisho)了掺铒光纤放大器，放大原理。光孤子。以及掺铒光纤放大器在光孤子通信系统中的应用。【关键词】EDFA 光孤子 通信 光放大1引言掺铒光纤放大器(EDFA，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加

2、了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。目前有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器；另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还

3、存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。本文由掺铒光纤放大器的优良性质联想到利用掺铒光纤对光孤子进行放大。着重讨论了掺铒光纤的结构，放大原理，以及在光孤子通信方面的利用。2掺铒光纤放大器2.1结构铒光纤放大器基本结构。在输入端和输出端各有一个隔 离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。 HYPERLINK /view/993622.htm t /_blank 耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦

4、光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦 HYPERLINK /view/141368.htm t /_blank 滤波器。EDFA主要由5个部分组成：掺铒光纤（EDF）、光耦合器（WDM）、光隔离器（ISO）、光滤波器（Optical Filter）、泵浦源（Pumping Supply）。如下图所示。常用的泵浦源包括980nm和1480nm，这两种泵浦源的泵浦效率较高，从而使用也较多。 98

5、0nm的泵浦光源噪声系数较低；1480nm的泵浦光源泵浦效率更高，可以获得较大的输出功率（与980nm泵浦光源高3dB左右）。 2.2掺铒光纤放大器的原理(yunl) 光放大器的原理与激光器的原理类似，当供给激光媒体能量(nngling)使其处于激励状态时，即会产生光的受激辐射如果满足使受激辐射持续进行的条件，并用输入(shr)光(波长、相位、偏振态、传播方向均与发送光一致)感应，则能得到比其更强的输出光，从而起到放大作用EDFA的放大作用是通过1 550 nm 波段的信号光，在掺铒光纤中传输与Er。 离子相互作用产生的当在掺铒光纤中传输的光子能量与Ers 离子的某两个能级之间的能量差相等时，

6、Er。 离子就会与光子发生相互作用，产生受激辐射和受激吸收受激辐射是Er。 离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子(UP光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同)；受激吸收是Er。 离子与光子相互作用从低能级跃迁到高能级，并且吸收激发光子为了详细说明EDFA的放大原理，下面给出Er。 离子与光放大作用有关的能级结构图在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分 1：3激发态过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用， 只有少数处于基态的Er。 离子对信号光子产生受激吸收Er。 离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA 的放大效应具有一定波长范围，

7、其典型值为1 53o1 570 nmEr。 离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收外，还要产生自发辐射，辐射光子与信号光不同，它构成EDFA 的噪声由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声3光孤子 3.1定义孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。孤子(gz)这个名词首先是在物理的 HYPERLINK /view/33328.htm t /_blank 流体力学(li t

8、l xu)中提出(t ch)来的。1834年，美国科学家 HYPERLINK /view/14742532.htm t /_blank 约翰斯科特罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时1415km的速度前进，而波的形状不变，前进了23km才消失。他称这个波为孤立波。其后，1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。从数学上看，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散解。即是

9、说，它能始终保持其波形和速度不变。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光

10、通信。1 1980年Bell试验室Mollenewor等人首次在试验室中观察到了光孤子。3.2形成原理光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度 HYPERLINK /view/47254.htm t /_blank 色散（GVD）和自相位调制（SPM）共同作用形成的。光脉冲在光纤中传输时总是存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成在一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以群速vg=d/d来表示（为光波波数， 为载波频率）。由该式可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现

11、象称之为群速度色散（GVD）。研究的结果表明，d=1310nm处为零色散波长，d称之为反常色散区域，d称之为正常色散区域。正常与反常色散区域光脉冲的传输特性是不同的，在反常色散区域，光脉冲的高频分量（蓝移）较低频分量（ HYPERLINK /view/6268.htm t /_blank 红移）传输得快，而在正常色散区域，情况正好相反。由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致了光脉冲的展宽。自相位调制效应是光波在光纤中传输时光波本身引起的相移。其起源于光纤的折射率n与电场强度I之间的非线性效应克尔（kerr）效应，即：n=n0+n2I。上式中，n=1.45是线性折射率，n2=6.1102

12、3V/m为非线性折射率系数。由上式可知，不同强度的脉冲分量相速度是不同的，这样，在光脉冲传输的过程中将会产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变化。例如，通过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，对其它形状脉冲的分析也有类似的结果。另外，相对在群速度色散（GVD）的反常色散区，脉冲的高频（ HYPERLINK /view/74766.htm t /_blank 蓝移）分量运动速度要高于低频（红移）分量，而自相位调制（SPM）效应所导致的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于谱蓝移而加快运动速度，进而使得脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋

13、势相对应。因此，当这两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。所以说，光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡3.3数学模型1895年，Korteweg和Vries提出了著名的KDV方程，从而建立了孤子的数学模型。后来(huli)经过漫长的时间，直到1973年，美国威苏康星大学的A.C.Scott等人提出孤子的正式定义：孤子是非线性波动方程的一个孤子波解，它可传播很长的距离而不变形，当它与其它同类孤立波相遇后，保持其幅度、形状和速度不变。其光孤子的概念还可进一步概括为：某一相干光脉冲在通过光纤时，脉冲前沿部分作用于光纤使之激活，而其

14、后沿部分则受到光纤的作用获得(hud)增益，前沿失去的和后沿获得的能量相互抵消。其结果使得光脉冲传输时，没有任何形状上的变化，即形成一个稳定的光孤子。4光孤子(gz)通信4.1背景条件 HYPERLINK /view/5190.htm t /_blank 光纤通信中，限制传输距离和传输容量的主要原因是“损耗”和“ HYPERLINK /view/47254.htm t /_blank 色散”。“损耗”使光信号在传输时能量不断减弱；而“色散”则是使光脉冲在传输中逐渐展宽。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光

15、脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。现在随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，色散问题就成为实现超长距离和超大容量光纤通信的主要问题。光纤的色散是使光信号的脉冲展宽，而光纤中还有一种非线性的特性，这种特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，从而使传播速度变化。在光纤中这种变化使光脉冲后沿的频率变高、传播速度变快；而前沿的频率变低、传播速度变慢。这就造成脉冲后沿比前沿运动快，从而使脉冲受到压缩变窄。如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，光脉冲就会像一个一

16、个孤立的粒子那样形成光孤子，能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信。4.2原理 HYPERLINK /view/691251.htm t /_blank 光孤子通信是一种全光非线性通信方案，其基本原理是光纤 HYPERLINK /view/462574.htm t /_blank 折射率的非线性（自相位调制）效应导致对光脉冲的压缩可以与群速色散引起的光 HYPERLINK /view/107414.htm t /_blank 脉冲展宽相平衡，在一定条件（光纤的反常色散区及脉冲光功率密度足够大）下，光孤子能够长距离不变形地在光纤中传输。它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制

17、，其传输容量比原来最好的通信系统高出12个数量级， HYPERLINK /view/721149.htm t /_blank 中继距离可达几百km。它被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。从光孤子传输理论分析，光孤子是理想的光脉冲，因为它很窄，其脉冲宽度在 HYPERLINK /view/251174.htm t /_blank 皮秒级（ps，即s）。这样，就可使邻近光脉冲间隔很小而不至于发生脉冲重叠，产生干扰。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，可以说是几乎没有限制。传输速率将可能高达每秒兆 HYPERLINK /view/189728.htm t /_blank 比特。如此高速将意味着

18、世界上最大的图书馆 HYPERLINK /view/190913.htm t /_blank 美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等巨大。5掺铒光纤放大器在光孤子通信系统中的应用 在CATV系统中，EDFA应用形式很灵活，EDFA 用在前端光发射机输出端，可以提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，可以补偿光能量的损失，增加(zngji)传输距离；用在光接收机前，可以对信号进行预放，从而(cng r)大大提高光接收机的接收灵敏度当前主要作为功率助推器和线路放大器，其目的是补偿光纤传输损耗或用作补偿(bchng)光分路器的分支损耗，如图

19、4所示功率助推器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后进行分配，以提供各方向的光纤干线传输从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以便补偿分支损耗，这样就解决了光纤传输中的损耗问题，在远距离光纤传输中，保证了信号在传输中的质量6结束语掺铒光纤放大器的优良性质可以被利用与光孤子通信系统中，掺饵光纤放大器具有高增益、低噪声，宽频带，低损耗，、高功率，高饱和输出的特点，它巧妙地结合了固体激光和光纤制造技术， 使光放大器光纤化，, 克服了半导体激光放大器由于模式干扰引起的大噪声及其受温度，偏振影响的缺陷由于掺饵光纤放大器有这些优点，已成为光纤通信技术中极为重要的器件它既可作为光纤通信系统中光发送机的提升放大器，也可作为光接收机的前置放大器和全光中继器。参考文献【1】 杜延飞CATv系统1550光发射机原理及应用rJ1潍坊学院学报，2004，6(4)：181 9【2】张书敏, 吕福云, 董法杰, 等. 色散渐减光纤组成的环形镜对高阶孤子的理想压缩 J . 光子学报, 2005 , 34(4):554-557.楚晓亮,张彬. 超短脉冲在放大介质中传输特性研究 J . 光子学